陳　勇

摘要：物理學(xué)是包含物理學(xué)方法論的科學(xué)體系。物理學(xué)方法論在物理學(xué)的發(fā)展中作用巨大，每次物理學(xué)方法論的飛躍都會(huì)促進(jìn)物理學(xué)進(jìn)步?；仡櫸锢韺W(xué)方法論發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀，從中找出對(duì)物理教學(xué)有益的教育要素是很有現(xiàn)實(shí)意義的。

關(guān)鍵詞：物理學(xué)；方法論；物理教學(xué)

中圖分類號(hào)：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003－6148(2009)8(S)－0063－3

物理學(xué)是包含物理學(xué)方法論的科學(xué)體系。從物理學(xué)發(fā)展的歷史來看，物理學(xué)知識(shí)和物理學(xué)史以及物理學(xué)方法論是不可分割地緊密聯(lián)系在一起的。物理學(xué)方法論的多元化發(fā)展，特別是近現(xiàn)代物理研究方法的逐步成熟極大地推動(dòng)了人類探索物質(zhì)世界的研究?？梢钥闯鑫锢韺W(xué)方法論的發(fā)展一方面成為促進(jìn)物理學(xué)進(jìn)步的有利手段，另一方面也反映了人類認(rèn)識(shí)世界的過程中思維活動(dòng)能力的不斷超越。作為物理教師，如何站在物理學(xué)發(fā)展的角度審視物理教學(xué)，能否從物理學(xué)方法論的發(fā)展中抽取和挖掘出重要的教育要素以培養(yǎng)學(xué)生的物理興趣、啟發(fā)物理思維、領(lǐng)悟科學(xué)方法、提高科學(xué)素養(yǎng)都是值得去思考的。

1物理學(xué)方法論的發(fā)展的基本主線

物理學(xué)是自然科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科，物理學(xué)方法論是物理學(xué)重要的組成部分。古代物理學(xué)方法論主要表現(xiàn)為思辨和經(jīng)驗(yàn)的方法，缺乏科學(xué)性和可靠性。真正的物理學(xué)方法論的形成與發(fā)展出現(xiàn)在近現(xiàn)代。

1.1伽利略的實(shí)驗(yàn)方法論

伽利略在近代動(dòng)力學(xué)理論上的突出貢獻(xiàn)，使他成為了近代物理學(xué)的主要代表人物。在伽利略對(duì)運(yùn)動(dòng)的研究中，他創(chuàng)造了近代科學(xué)發(fā)展方法的基本范式，即：對(duì)現(xiàn)象的觀察——提出假設(shè)——運(yùn)用數(shù)學(xué)和邏輯手段得出結(jié)論——通過物理的或思想的實(shí)驗(yàn)對(duì)推論進(jìn)行檢驗(yàn)——對(duì)假設(shè)進(jìn)行修正和推廣。

在物理學(xué)方法論上，伽利略實(shí)質(zhì)上使用了將實(shí)驗(yàn)與理論假設(shè)結(jié)合起來的方法，從而為近代物理學(xué)的發(fā)展指明了方向，有力地促進(jìn)了人類認(rèn)識(shí)活動(dòng)的發(fā)展。

1.2牛頓和他的科學(xué)發(fā)現(xiàn)方法論

牛頓作為偉大的科學(xué)家和哲學(xué)家，在伽利略、笛卡兒等前人工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合自己的科學(xué)研究，創(chuàng)立了經(jīng)典物理學(xué)，實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)發(fā)展中的一次飛躍。他的科學(xué)方法論對(duì)以后自然科學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了極其深遠(yuǎn)的影響。

牛頓重視實(shí)驗(yàn)在科學(xué)研究中的作用，他把通過對(duì)自然進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得出的認(rèn)識(shí)稱為“實(shí)驗(yàn)哲學(xué)”。牛頓把他的實(shí)驗(yàn)哲學(xué)在發(fā)現(xiàn)問題的認(rèn)識(shí)過程中劃分為分析和綜合兩個(gè)方面：(1)分析的方法就是從觀察和實(shí)驗(yàn)出發(fā)，用歸納法找出普遍結(jié)論和一般規(guī)律。(2)綜合的方法就是根據(jù)已發(fā)現(xiàn)的一般規(guī)律，對(duì)特殊事件做出解釋和預(yù)測(cè)，由此證實(shí)一般定律的真實(shí)性和可靠性。它表現(xiàn)為運(yùn)用歸納出來的一般原理和定律去解釋物體的運(yùn)動(dòng)，對(duì)物體的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)見。

牛頓分析和綜合的方法遵循了從特殊到一般，再從一般到特殊的人類認(rèn)識(shí)世界的基本過程。他的研究方法的一大特點(diǎn)是敢于并且善于將錯(cuò)綜復(fù)雜的自然現(xiàn)象簡化，建立物理模型；另一特點(diǎn)是運(yùn)用形象思維，構(gòu)思一些神奇的理想實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)造出新的物理圖景來揭示天地物體運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)一性。

1.3愛因斯坦和他的概念方法論

愛因斯坦是現(xiàn)代物理學(xué)的主要?jiǎng)?chuàng)始人和奠基人。他一生在三個(gè)不同領(lǐng)域作出了開拓性的貢獻(xiàn)，展示了巨大的創(chuàng)造才能。除建立相對(duì)論外，他還提出了光量子假說、開創(chuàng)了現(xiàn)代宇宙學(xué)的研究，并且致力于統(tǒng)一場(chǎng)論的研究。

楊振寧先生在總結(jié)愛因斯坦物理學(xué)方法論時(shí)，曾指出了愛因斯坦方法論的兩個(gè)重要特點(diǎn)：一是關(guān)于物理概念的形成。近代物理學(xué)的公理不是從經(jīng)驗(yàn)中概括出來的，必須通過自由想象創(chuàng)造出來。很顯然在近代被物理學(xué)研究所排斥的非邏輯的方法正在融入現(xiàn)代物理學(xué)的研究；二是數(shù)學(xué)的作用。20世紀(jì)以來，物理學(xué)的發(fā)展越來越離不開數(shù)學(xué)，尤其是一些深?yuàn)W抽象的數(shù)學(xué)在物理學(xué)的發(fā)展中起到了重要的作用。正是由于數(shù)學(xué)與物理學(xué)如此緊密的交織在一起，使得愛因斯坦發(fā)展了他的數(shù)學(xué)方法論，使數(shù)學(xué)成為他在研究物理學(xué)過程中最重要的工具。

信念、知覺、形象思維、自由想象及對(duì)科學(xué)美的追求是愛因斯坦物理學(xué)形成的重要因素。正基于此，當(dāng)我們?cè)谫潎@愛因斯坦創(chuàng)立其博大精深的科學(xué)理論的同時(shí)，也不禁為他所開創(chuàng)新的物理學(xué)研究方法所折服。從愛因斯坦的物理學(xué)方法論中我們注意到現(xiàn)代物理學(xué)研究的領(lǐng)域在宏觀和微觀尺度上不斷出現(xiàn)了新的研究方法，這既預(yù)示了現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展將面臨越來越多的困難，也暗示著在物理學(xué)新的發(fā)展時(shí)期必然要求新的研究方法的誕生。

1.4物理學(xué)方法論的現(xiàn)狀和展望

當(dāng)前，物理學(xué)的研究方法同現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)一樣處在一個(gè)重大的變革時(shí)代。物理學(xué)已不僅僅將機(jī)械運(yùn)動(dòng)、電磁運(yùn)動(dòng)和簡單原子分子的運(yùn)動(dòng)作為研究對(duì)象，而是把視線轉(zhuǎn)移到復(fù)雜性和綜合性的研究客體上來。隨之逐漸形成了研究此類問題的新學(xué)科——系統(tǒng)科學(xué)和非線性科學(xué)。系統(tǒng)科學(xué)是對(duì)傳統(tǒng)研究方法的創(chuàng)新，它首先從整體出發(fā)，再分析綜合，強(qiáng)調(diào)各部分功能有機(jī)的組合。非線性科學(xué)表明：線性是理想的，是在一定條件下的近似；而非線性才是接近實(shí)際世界而且普遍存在的。非線性關(guān)注微小變化所產(chǎn)生的結(jié)果和整體與局部的相關(guān)性。隨著人類洞察與理解客觀世界的不斷深入，系統(tǒng)科學(xué)和非線性科學(xué)將會(huì)為物理學(xué)的發(fā)展提供更為有力的方法論的支持，拓展出廣闊的空間。

目前來看，物理學(xué)的研究并非盡善盡美，一些基礎(chǔ)性的研究問題仍得不到很好的解決，對(duì)于許多未知領(lǐng)域和新的方向，研究依舊舉步維艱。反思物理學(xué)發(fā)展的困難，歸根究底還是在于物理學(xué)研究方法創(chuàng)新的困難。從物理學(xué)發(fā)展歷史的角度審視物理學(xué)，我們注意到：物理學(xué)研究一方面不可能拋棄如實(shí)驗(yàn)、數(shù)學(xué)演繹等傳統(tǒng)方法；另一方面，計(jì)算機(jī)模擬等信息化手段正越來越多地滲透到現(xiàn)代物理學(xué)的研究當(dāng)中，加之科學(xué)研究正在走出學(xué)科間的相對(duì)封閉，逐步實(shí)現(xiàn)學(xué)科之間的交叉和融合，其它學(xué)科的研究方法也必將會(huì)對(duì)物理學(xué)的發(fā)展在方法論上產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響?？梢灶A(yù)見：物理學(xué)研究的方法在今后將會(huì)越來越明顯的體現(xiàn)多元化的特點(diǎn)，單一的研究方法是不足以支撐起物理學(xué)這樣一座宏偉大廈的。

2方法論的發(fā)展對(duì)物理教學(xué)的啟示

物理學(xué)方法論是包括在物理教育教學(xué)在內(nèi)的主體內(nèi)容，它和物理知識(shí)處于同等重要的地位?；仡櫸锢韺W(xué)研究方法的演變，可以看出，以變革為存在形式的物理學(xué)方法必然要求有與之相適應(yīng)的物理教學(xué)。我認(rèn)為在反思以往物理教學(xué)的基礎(chǔ)上，在以下幾方面應(yīng)當(dāng)彌補(bǔ)過去工作的不足，做一些富有成效的實(shí)踐探究。

2.1重視物理概念和規(guī)律形成中歸納法的運(yùn)用

歸納是從個(gè)別事實(shí)中概括出一般概念、結(jié)論的思維方法，是從個(gè)別到一般的思維運(yùn)動(dòng)。歸納是演繹的基礎(chǔ)，通過歸納對(duì)個(gè)別事物的現(xiàn)象研究所概括出來的一般知識(shí)原則，既是歸納的終點(diǎn)，又是演繹的起點(diǎn)。而現(xiàn)行物理教學(xué)中通常是以演繹法占據(jù)教學(xué)的主導(dǎo)地位。大部分教師通過講授將物理概念和定律告之學(xué)生，再利用這些物理結(jié)

論進(jìn)行大量的解題訓(xùn)練。教學(xué)過分偏重一般原理的適用性而忽視定律和概念的形成過程，將學(xué)生排除在定律和概念的形成過程之外。在中學(xué)階段，這樣的問題尤為突出。因此我們認(rèn)為，在教學(xué)中應(yīng)加強(qiáng)歸納法在教學(xué)中的運(yùn)用，讓學(xué)生通過對(duì)實(shí)驗(yàn)和物理現(xiàn)象進(jìn)行歸納和概括，自主建構(gòu)起對(duì)知識(shí)意義的理解。教師要設(shè)計(jì)好概念和定律教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)對(duì)物理知識(shí)的掌握，這將有助于改善當(dāng)前學(xué)生解決問題能力低下的狀況。

2.2注意培養(yǎng)學(xué)生非邏輯思維能力

物理教學(xué)一般強(qiáng)調(diào)物理問題數(shù)學(xué)化，通過建立物理模型運(yùn)用數(shù)學(xué)手段對(duì)問題進(jìn)行描述，從而對(duì)物體的狀態(tài)給予預(yù)測(cè)。在此過程中講求嚴(yán)密的推理和準(zhǔn)確的邏輯關(guān)系，表現(xiàn)出物理學(xué)作為一門嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)所應(yīng)有的特質(zhì)。但是，長此以往的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，學(xué)生可能會(huì)因此而喪失思維中最寶貴的閃光點(diǎn)：直覺和想象。

從現(xiàn)代物理學(xué)發(fā)展來看，包括直覺和想象這樣的非邏輯思維形式越來越多的發(fā)揮出其神奇的作用。愛因斯坦認(rèn)為：在科學(xué)研究方法中“直覺是真正最可貴的因素”，“想象力比知識(shí)更重要，因?yàn)橹R(shí)是有限的，而想象力概括著世界的一切，推動(dòng)著社會(huì)進(jìn)步，并且是知識(shí)進(jìn)化的源泉。”直覺是從科學(xué)發(fā)現(xiàn)到概念形成中的重要因素；是由經(jīng)驗(yàn)事實(shí)到檢驗(yàn)理論活動(dòng)的重要步驟；是面對(duì)各種可能性做出正確選擇的重要能力。而想象不僅可以把復(fù)雜的對(duì)象純粹化、簡略化，而且還可以借助它進(jìn)行創(chuàng)造性的構(gòu)思。

物理教學(xué)要順應(yīng)物理學(xué)方法論的發(fā)展，激發(fā)并保持青少年在學(xué)習(xí)過程中的非邏輯思維，特別是在近代物理的教學(xué)中，教師應(yīng)當(dāng)盡可能讓學(xué)生體會(huì)和理解非邏輯思維在推動(dòng)物理學(xué)向前發(fā)展過程中的重要作用。教師要?jiǎng)?chuàng)設(shè)民主、寬松的學(xué)習(xí)和交流的環(huán)境，留給學(xué)生思考的空間，鼓勵(lì)學(xué)生非邏輯性思維的嘗試，這將有益于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性才能，實(shí)現(xiàn)21世紀(jì)人才培養(yǎng)模式的轉(zhuǎn)變。

2.3整合物理教學(xué)內(nèi)容，形成系統(tǒng)的物理學(xué)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)科學(xué)的整體性原理指出：凡是系統(tǒng)，必然存在一個(gè)由各個(gè)部分構(gòu)成且相互聯(lián)系的整體結(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)構(gòu)所具備的功能可能要比各個(gè)有機(jī)組成部分功能的簡單相加要強(qiáng)大的多。在教學(xué)中除了要重視學(xué)生對(duì)知識(shí)的自主建構(gòu)，還應(yīng)當(dāng)注意學(xué)生結(jié)構(gòu)化知識(shí)的形成。沒有整體觀念的知識(shí)結(jié)構(gòu)，所掌握的知識(shí)是零亂的、不完整的，且很快容易遺忘。正是由于學(xué)生頭腦中沒有一定的結(jié)構(gòu)，加之教師在認(rèn)識(shí)上的偏差，學(xué)生在學(xué)習(xí)上往往表現(xiàn)為對(duì)知識(shí)掌握短暫、認(rèn)識(shí)膚淺、忽視知識(shí)的前后聯(lián)系，結(jié)果只能是學(xué)習(xí)興趣不高、視野狹窄、解決問題能力低下；反之，如果頭腦中存在結(jié)構(gòu)，可能有些具體內(nèi)容(如定律或定理)會(huì)忘記，但留在頭腦中的結(jié)構(gòu)將成為學(xué)生解決問題和繼續(xù)學(xué)習(xí)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。教師要在整體原理的指導(dǎo)下，整合教學(xué)內(nèi)容，給學(xué)生展現(xiàn)出系統(tǒng)化的物理世界，發(fā)揮出整體結(jié)構(gòu)的最佳功能。

縱觀物理學(xué)方法論的發(fā)展伴隨物理學(xué)已經(jīng)走過了幾百年的歷史，從物理學(xué)的角度來看，物理學(xué)方法論如同物理學(xué)之靈魂，總是與它相附相依。每一次物理學(xué)研究方法的飛躍必然帶動(dòng)物理學(xué)的進(jìn)步。從物理教學(xué)的角度來看，物理學(xué)方法論是教學(xué)重要的組成部分，對(duì)每一位教師的教學(xué)都會(huì)有所啟發(fā)。

(欄目編輯張正嚴(yán))